NSE является основным маркёром мелкоклеточного рака лёгких (повышение наблюдается в 60-81% всех случаев мелкоклеточного рака бронхов). Не наблюдается зависимость с локализацией метастазов или с церебральными метастазами, но наблюдается хорошая корреляция с прогрессированием данной патологии.

У пациентов, отвечающих на химиотерапию, наблюдается временный рост уровня NSE через 24 - 72 часа после первого терапевтического цикла, как результат цитолиза клеток опухоли. В течение недели после этого или в конце первого цикла терапии происходит быстрое падение концентрации NSE в сыворотке (увеличенного до начала терапии) до референсных значений. В случаях, когда нет ответа на терапию, наблюдаются постоянно повышенные уровни NSE, или снижение не до уровня референсных значений.

Во время ремиссии 80 - 96% пациентов показывают нормальные значения NSE. Рост концентрации маркёра наблюдается в случае рецидива (латентный период при этом может составлять 1 - 4 месяца, динамика экспоненциальная с периодом удвоения 10 - 94 дня, коррелирующая с прогнозом).